Das Stahlwerk Nr. 1 der Handan Iron and Steel Group verfügt über zwei Hochöfen, Nr. 1 und Nr. 2. Jeder Hochofen besitzt eine Beschickungs- und eine Abstichöffnung. Beim Beschicken und Abstich des Hochofens reagiert das heiße, flüssige Eisen heftig mit der Luft und erzeugt dabei große Mengen an Rauchgas. Dies ist schädlich für die Arbeiter vor Ort und verursacht erhebliche Umweltverschmutzung. Um die Arbeitsbedingungen zu verbessern und die Umweltbelastung zu reduzieren, sind Modernisierungen der Staubabsaugung für die Beschickungs- und Abstichprozesse erforderlich. Die Staubabsauganlage ist mit einem Entstaubungsventilator des Typs Y4-73 Nr. 29.5F (mit passendem 800-kW-Motor) ausgestattet. Der Ventilator benötigt fünf verschiedene Luftmengen, um den Anforderungen der Beschickungs- und Abstichprozesse gerecht zu werden. Zur Steigerung der Betriebseffizienz und zur Energieeinsparung ist eine Drehzahlregelung des Ventilators notwendig. Die Dongfang Industrial Environmental Protection Co., Ltd. ist für die Generalunternehmung dieses Hochofenprojekts verantwortlich. In früheren ähnlichen Entstaubungsprojekten wurden häufig hydraulische Kupplungen zur Drehzahlregelung eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich mit dem Fortschritt der Hochspannungs-Frequenzumrichtertechnologie die Wirtschaftlichkeit von Hochspannungs-Frequenzumrichtern deutlich verbessert, und hydraulische Kupplungen haben ihren Vorteil zunehmend verloren. Schließlich entschied sich Wuxi Dongfang für Hochspannungs-Frequenzumrichter der Harsvert-A-Serie von Beijing Lide Huafu Electric Technology Co., Ltd. zur Drehzahlregelung der Gebläse. Der Hochspannungs-Frequenzumrichter für das Entstaubungsgebläse des Hochofens wurde im April 2003 in Betrieb genommen und läuft seit über einem Jahr stabil. I. Prozessanforderungen an das Entstaubungsgebläse: Die Hochöfen Nr. 1 und Nr. 2 der Handan Iron and Steel Group benötigen im Betrieb keinen Luftstrom, solange sie weder beschickt noch abgestochen werden. Im Hochofenbetrieb werden für die Beschickung eines Abstichs 350.000 m³/h benötigt. Das Abstichgas an einem Abstichanschluss benötigt 150.000 m³/h, das gleichzeitige Abstichgas an beiden Anschlüssen 300.000 m³/h und das gleichzeitige Abstichgas an beiden Abstichanschlüssen eines Hochofens 500.000 m³/h. Die beiden Abstichanschlüsse des Hochofens können nicht gleichzeitig geöffnet werden; es kann immer nur einer geöffnet sein. Das Abstichgas wird mit einem 125-Tonnen-Brückenkran abgestanzt. Die Gießpfannen für flüssiges Eisen sind in den Größen 70 t und 100 t erhältlich, wobei das Abstichgas pro Pfanne 4–6 Minuten dauert. Bei drei Stahlkonvertern, die 20 Schmelzen pro Schicht produzieren, werden pro Hochofen 30 Gießpfannen pro Schicht hergestellt. Es gibt drei Schichten pro Tag, jede Schicht dauert acht Stunden. Die Abstichzeit pro Gießpfanne beträgt 1–2 Minuten, der kürzeste Abstichzyklus dauert 8 Minuten. Die gesamte Abstichzeit pro Schicht beträgt 30–60 Minuten. A bis B bezeichnet die Zeit, in der weder Eisen zugeführt noch abgeführt wird; B bis D bezeichnet die Zeit, in der Eisen über einen Auslass abgeführt wird, wobei B bis C die Anlaufzeit des Ventilators darstellt; D bis F bezeichnet die Zeit, in der Eisen über zwei Auslassöffnungen abgeführt wird, wobei D bis E die Anlaufzeit des Ventilators darstellt; F bis H bezeichnet die Zeit, in der Eisen über einen Zufuhranschluss zugeführt wird, wobei F bis G die Anlaufzeit des Ventilators darstellt; H bis J bezeichnet die Zeit, in der Eisen über einen Zufuhranschluss zugeführt und über einen Auslass abgeführt wird, wobei H bis I die Anlaufzeit des Ventilators darstellt; der Ventilator kann beim Beschleunigen jeden Anlaufzeitpunkt nach Bedarf passieren; ab Punkt J beginnt der Ventilator abzubremsen. J bis L bezeichnet die Zeit für den Wechsel von einem Eisenaufnahme- und einem Eisenabgabeanschluss zu einem Eisenaufnahmeanschluss, wobei J bis K die Abbremszeit des Ventilators darstellt. L bis N steht für die Umschaltzeit von einem Eisenaufnahmeanschluss auf zwei Eisenabgabeanschlüsse, wobei L bis M die Lüfterverzögerungszeit angibt; N bis P steht für die Umschaltzeit von zwei Eisenabgabeanschlüssen auf einen Eisenabgabeanschluss, wobei N bis O die Lüfterverzögerungszeit angibt; P bis R steht für die Umschaltzeit von einem Eisenabgabeanschluss auf einen Zustand ohne Eisenaufnahme oder -abgabe, wobei P bis Q die Lüfterverzögerungszeit angibt; Q bis R steht für den Zustand ohne Eisenaufnahme oder -abgabe. II. Anforderungen an die Drehzahlregelung: Zur Vereinfachung der Steuerungslogik wird die Drehzahl des Umrichters direkt vor Ort anhand des Ein-/Aus-Status der Eisenabgabe- und Eisenaufnahmeanschlüsse geregelt. Der Umrichter verfügt über fünf voreingestellte Drehzahlpunkte und passt die Motordrehzahl automatisch an den erforderlichen Luftstrom an. Die integrierte SPS und die chinesische Mensch-Maschine-Schnittstelle des Umrichters erleichtern die Inbetriebnahme vor Ort erheblich und verkürzen den Inbetriebnahmezyklus deutlich. Die Einstellung verschiedener Parameter ist sehr komfortabel. Der Luftstrom kann an jedem Drehzahlpunkt entsprechend der Abgasmenge schnell angepasst werden. Nach der Modernisierung der Staubabsaugung haben sich die Bedingungen vor Ort deutlich verbessert. III. Berechnung der Energieeinsparung: Basierend auf den Betriebsdaten des Wechselrichters wurde die Betriebszeit des Ventilators in den einzelnen Drehzahlbereichen über den Tag statistisch analysiert. Daraus ergaben sich folgende Betriebsdaten: Die Eingangsleistung des Wechselrichters in den einzelnen Drehzahlbereichen beträgt: P1 = 1,732 × 6 × 5,8 × 0,8 = 48,2 kW; P2 = 1,732 × 6 × 25,1 × 0,8 = 208,7 kW; P3 = 1,732 × 6 × 37,9 × 0,8 = 315,1 kW; P4 = 1,732 × 6 × 23,89 × 0,8 = 198,6 kW; P5 = 1,732 × 6 × 62,50 × 0,8 = 519,6 kW. Die vom Ventilator verbrauchte elektrische Energie beträgt somit … Einen Tag nach Inbetriebnahme des Wechselrichters beträgt der Stromverbrauch: 48,2 × 3 + 208,7 × 7 + 315,1 × 4 + 198,6 × 7 + 519,6 × 3 = 4694,9 kWh. Bei einem Strompreis von 0,4 Yuan und einer Betriebsdauer des gesamten Systems von 300 Tagen pro Jahr belaufen sich die jährlichen Stromkosten auf: 4694,9 × 0,4 × 300 = 563.388 Yuan. Ohne Frequenzumrichter und bei Betrieb des Motors mit fester Frequenz betragen die jährlichen Stromkosten: P = 1,732 × 6 × 76 × 0,8 = 631,8 kW. 631,8 × 24 × 300 × 0,4 = 1.820.000 Yuan. Die Stromeinsparungen würden sich auf ca. 1.257.000 Yuan belaufen. Hinweis: Die obigen Berechnungen sind vorläufige theoretische Berechnungen. Die Energieeinsparung durch den Frequenzumrichter basiert auf Daten aus dem Probebetrieb und kann von den tatsächlichen Betriebsbedingungen abweichen. IV. Weitere Vorteile des Einsatzes des Hochspannungs-Frequenzumrichtersystems sind verbesserte Prozesse. Nach der Implementierung des Frequenzumrichters kann der Lüfter der Staubabscheideranlage den Luftstrom sehr sanft und stabil regeln, sodass er vom Bedienpersonal frei gesteuert werden kann. Die Betriebsparameter des Lüfters wurden verbessert, was die Effizienz steigert. Zudem verlängert sich die Lebensdauer von Motor und Lüfter. Die meisten Lüfter in Staubabscheidern sind Radialventilatoren, die lange Anlaufzeiten und hohe Anlaufströme (ca. das 6- bis 8-Fache des Nennstroms) aufweisen. Dies führt zu einer erheblichen mechanischen Belastung von Motor und Lüfter und beeinträchtigt deren Lebensdauer stark. Die Verwendung eines Frequenzumrichters ermöglicht jedoch ein sanftes Anlaufen und Bremsen, wodurch der Motor nahezu nicht belastet und die mechanische Lebensdauer deutlich verlängert wird. Außerdem wird der Verschleiß an Ventilmechanismen und Lüfterrädern reduziert. Nach der Installation des Frequenzumrichters läuft der Ventilator oft mit einer um 150 U/min niedrigeren Drehzahl als seiner ursprünglichen festen Drehzahl. Dadurch werden der Laufradverschleiß und die Ventilatorvibrationen deutlich reduziert. Zudem verlängert sich der Wartungszyklus des Ventilators, was Wartungskosten und -zeit spart. Schließlich wird die Automatisierung der Steuerung des Entstaubungssystems erleichtert. Der Luftstrom in einem Entstaubungssystem muss häufig an die Prozessanforderungen angepasst werden. Früher, bei der Einstellung über Leitbleche, war der Zusammenhang zwischen Stellantriebsöffnung und Durchflussrate nicht linear. Häufig veränderten sich aufgrund von übermäßigem Verschleiß des Stellantriebs die Ventilkennlinien, was zu nichtlinearen Problemen, Einstellfehlern und Fehlfunktionen im automatischen Steuerungssystem führte. Die Drehzahlregelung mit variabler Frequenz ermöglicht einen hochpräzisen Online-Drehzahlbereich von 0,1 bis 0,01 Hz und schafft so optimale Voraussetzungen für die Automatisierung des Entstaubungssystems. V. Zusammenfassung der Erfahrungen bei der Inbetriebnahme: 1. Die Schnittstelle zwischen Frequenzumrichter und Feldgeräten muss auf Störungen ausgelegt sein. Der Frequenzumrichter wird von der SPS des Entstaubungssystems gesteuert. Zwei der vier analogen Ausgänge des Frequenzumrichters werden auf den Instrumenten im Schaltschrank angezeigt, die anderen beiden werden in der SPS für verschiedene Schutzfunktionen genutzt. Bei der Fehlersuche vor Ort stellte sich heraus, dass die auf den Instrumenten angezeigten Signale korrekt waren, die Signale in der SPS der Staubabsaugungsanlage jedoch intermittierend ausfielen. Messungen der analogen Ausgangssignale der SPS vor Ort ergaben jedoch normale Werte. Das Problem wurde durch zuverlässige Erdung der SPS der Staubabsaugungsanlage behoben. 2. Einschaltstrom des Haupt-Trockentransformators. Der Hochspannungs-Frequenzumrichter der HARSVERT-A-Serie arbeitet mit Reihenschaltung und einem vorgeschalteten Trockentransformator. Der im Projekt von Handan Iron and Steel eingesetzte Trockentransformator ist ein Epoxidharz-Vergusstransformator mit Isolationsklasse F. Laut Bedienungsanleitung darf der Einschaltstrom das Sechsfache des Nennstroms nicht überschreiten. Der Überstromschutz des Hochspannungsschalters vor dem Frequenzumrichter wurde auf das Siebenfache des Nennwerts eingestellt. Beim Betrieb des Frequenzumrichters traten jedoch mitunter normale Funktionsstörungen auf, während in anderen Fällen der Überstromschutz des Hochspannungsschalters auslöste und die normale Stromversorgung unterbrach. Das Problem konnte durch Erhöhung des Überstromschutzes von 7 auf 11 behoben werden. VI. Fazit: Leadway ist seit 1999 im Bereich der Hochspannungs-Frequenzumrichter tätig und hat mit derzeit fast 200 im Einsatz befindlichen Einheiten einen ersten Schritt hin zur großflächigen Anwendung inländischer Hochspannungs-Frequenzumrichter unternommen. Über 30 Einheiten werden in der Metallindustrie eingesetzt und tragen dort zur Energieeinsparung und zum Umweltschutz bei. Wir sind überzeugt, dass Hochspannungs-Frequenzumrichter die traditionellen Anwendungen von Hydraulikkupplungen zunehmend ersetzen werden. Mit der zunehmenden Verbreitung und der stetig verbesserten Wirtschaftlichkeit von Hochspannungs-Frequenzumrichtern werden Frequenzumrichter Hydraulikkupplungen schließlich als optimale Lösung zur Motordrehzahlregelung ablösen.